量子ホール効果とは何ですか？

量子ホール効果は、極低温での磁場内での電子の挙動を記述する物理学で広く受け入れられている理論です。 効果の観察は、量子力学の理論全体を明らかに実証しています。 結果は非常に正確であるため、電気抵抗測定の標準では量子ホール効果が使用され、これも超伝導体で行われた研究を支えています。

1879年にエドウィンホールによって発見されたホール効果は、磁場に置かれた導体に電流が流れるときに観察されます。 電荷キャリアは、通常は電子ですが、プロトンの場合もあり、磁場の影響により導体の側面に散乱します。 この現象は、高速道路を下る際に強風のために一連の車が横に押し出されることで視覚化できます。 車は前方に移動しようとしますが、横向きになります。

導体の側面間に電位差が生じます。 電圧差は非常に小さく、導体の組成の関数です。 ホール効果に基づいて有用な機器を作成するには、信号の増幅が必要です。 この電位の不均衡は、磁場を測定するホールプローブの背後にある原理です。

半導体の普及に伴い、物理学者は、非常に薄いフォイルのホール効果を調べることに興味を持つようになり、電荷キャリアは本質的に二次元の運動に制限されました。 彼らは、強い磁場と低温下で導電性箔に電流を流しました。 曲線の連続した経路で電子が横に引っ張られるのを見る代わりに、電子は突然ジャンプしました。 磁場強度が変更されると、特定のエネルギーレベルで流れに対する抵抗に鋭いピークがありました。 ピーク間で、抵抗は低温超伝導体の特性であるゼロに近い値まで低下しました。

物理学者はまた、抵抗のスパイクを引き起こすのに必要なエネルギーレベルが導体の組成の関数ではないことを認識しました。 抵抗のピークは、互いに整数倍で発生しました。 これらのピークは非常に予測可能で一貫性があるため、量子ホール効果に基づく機器を使用して抵抗の標準を作成できます。 このような規格は、電子機器のテストと信頼性の高いパフォーマンスの確保に不可欠です。

原子構造の量子理論は、エネルギーが素原子レベルで離散した全パケットで利用可能であるという概念であり、早くも1975年に量子ホール効果を予測していました。1980年、クラウス・フォン・クリツィングは彼のノーベル物理学賞を受賞しました量子ホール効果が実際に正確に離散的であったこと、つまり、電子が明確に定義されたエネルギーレベルでのみ存在できることを発見しました。 量子ホール効果は、物質の量子的性質を支持する別の議論になっています。